Diodo caracteristicas

10,295 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
10,295
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
51
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Diodo caracteristicas

  1. 1. CARLOS GOMEZ SALAZARÚltima revisión: diciembre 2012INTRODUCCIÓN: El diodo semiconductor no solo es de gran importancia en las aplicacioneselectrónicas modernas, sino que además la teoría de la unión n-p sirve comofundamento en la comprensión de los dispositivos semiconductores. Pero antes dever qué es un diodo semiconductor, por qué rectifica, qué diferencia hay entre undiodo rectificador y uno demodulador de AM, y qué es la corriente inversa desaturación, el voltaje de ruptura y qué es el voltaje umbral, es conveniente comenzarespecificando cuál es la representación de la circulación de corriente eléctrica que se utilizará.En cada "rama" de un circuito (parte del circuito entre dos bifurcaciones o "nodos",formada por alambres y componentes, todos conectados en serie uno con elotro), puede haber solo una corriente eléctrica, caracterizada por su magnitud("intensidad de corriente") que es un número real I con la unidad correspondiente(ampere, A, para la corriente en el S.I. de unidades), y uno de los dos sentidos decirculación (hacia uno u otro extremo de la rama). Se conviene en que el signopositivo (o negativo) de la intensidad de corriente I indica que fluye en el mismosentido (o al revés) del indicado esquemáticamente por la flecha en los diagramas decircuitos:I> 0 A si fluye en el sentido indicado;o bien, I < 0 A cuando fluye al revés.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 1
  2. 2. Pero hay que convenir además si la corriente I representa un flujo de cargaspositivas o de cargas negativas.Desde el punto de vista de la energía de las cargas en un punto del circuito, elproblema es análogo al caso de la masa m de un cuerpo en el campogravitatorio g de la Tierra, donde el cuerpo sufre una variación de alturaΔhcayendo hacia una energía potencial gravitacional (mgh+constante) menor:Losportadores de carga eléctrica q de un circuito fluyen hacia un voltaje V donde tienenuna energía potencial eléctrica U (= qV+constante) menorPero en el caso del Electromagnetismo, a diferencia de la Gravitación, existe larepulsión y pueden haber portadores de cargas positivas (q > 0 C) y negativas (comolos electrones libres en un metal, que tienen carga q = -e < 0 C). Para unas lavariación de voltaje ΔV tiene un signo, y para las otras (que circulan al revés)ΔV tiene el signo opuesto. Pero como ambos factores (q y ΔV) cambian de signo,entonces la variación ΔU = qΔV de energía potencial U es igual en ambos casos, yentonces resulta que respecto del voltaje hay dos formas equivalentes de representarla misma corriente: (i) Cargas positivas yendo hacia un voltaje menor (ii) cargas negativas yendo hacia un voltaje mayorAquí se adopta la primera, que es la convención más difundida:I representa la circulación de cargas eléctricas positivas fluyendo hacia un voltajemenor DiodoUNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 2
  3. 3. Diodo en primer plano. Nótese la forma cuadrada del cristal semiconductor (objeto negro de la izquierda). Tipo Semiconductor Principio de funcionamiento Efecto Edison Fecha de invención John Ambrose Fleming (1904) Símbolo electrónico Configuración Ánodo y CátodUNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 3
  4. 4. Entonces la corriente I > 0 A sale del borne de mayor potencial de la fuente devoltaje (indicado con "+"), pasa a través de todos los elementos del circuito("cayendo" a un voltaje menor), y entra por el borne negativo de la fuente.En el caso de los conductores (metales), la verdadera "corriente física" de cargaseléctricas circula al revés que la "corriente convencional" I > 0 A que se representaen los esquemas (como se muestra en la Figura).UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 4
  5. 5. fig. 1: Diagrama esquemático de una fuente de voltaje ideal conectada a un resistor.En el circuito se indica el sentido de circulación de la corriente eléctrica deintensidad I > 0 A, según la convención adoptada (circulando al revés quelos electrones libres dentro del material conductor del resistor).Hay que enfatizar que "dentro" de la fuente de voltaje (que es el elemento querealiza trabajo para mantener la circulación de cargas a través de un mediodisipativo), la corriente I > 0 A va desde el borne "-" al borne "+". A la fuente devoltaje se la denomina "Fuerza Electromotriz" (FEM), y en su interior las cargas sonllevadas (mediante la transformación de alguna forma de energía) a una energíapotencial mayor.Pero "fuera" de la FEM, sobre cada elemento pasivo del circuito, la corriente I > 0 Ava al revés (desde "+" hacia "-"). Estos voltajes o diferencias de potencial eléctricose denominan "caídas de voltaje", porque corresponden a una corriente de cargasque "caen" hacia una energía potencial inferior, en un voltajemenor.En el caso de la corriente de cargas negativas dentro de un metal, fuera de la FEMtambién caen a una energía potencial inferior, pero fluyendo hacia un voltajemayor.DIODO SEMICONDUCTOR (Diodo de unión n-p y diodo Schottky)UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 5
  6. 6. 1-QUÉ ESUn rectificador de corriente eléctrica o "DIODO" es un componente electrónico de 2(o más) terminales o electrodos, que solo permite la circulación de la corriente en unsolo sentido, que para cargas eléctricas positivases desde el electrodo "A" de mayorpotencial eléctrico (denominado ánodo), hacia el electrodo "K" de menor potencial(denominado cátodo). Por lo tanto un diodo es, en general, un componenteunidireccional, asimétrico.Un rectificador perfecto es el que para cualquier voltaje aplicado, no conduceabsolutamente ninguna corriente de cargas positivas desde K hacia A, mientras queal revés, conduce cualquier valor infinitamente grande de corriente.Existe un conjunto muy grande de rectificadores semiconductores y dispositivosrelacionados con características físicas y geométricas propias, según la función que deban realizar.Los primeros componentes electrónicos que dominaban la Electrónica a mediadosdel Siglo XX, fueron las"válvulas" termoiónicas, también denominadas "lámparas" o"tubos" termoiónicos. El voltaje de la "placa" (nombre del ánodo de las válvulas) essuficientemente mayor al del K como para que electrones del K abandonen el metal,y formen una corriente interior desde el K hacia la placa. Por lo tanto todas lasválvulas rectifican corriente eléctrica. La más simple, el diodo termoiónico, posee 2terminales para los electrodos (K y placa) y otros 2 terminales para un calefactor delK (En algunas válvulas el calefactor también actúa de cátodo). El diodo termoiónicose usa específicamente para rectificar, mientras que otros tipos de válvulas tienenmás terminales para realizar otras funciones (como por ejemplo amplificar).Con el desarrollo de la Electrónica de "Estado Sólido" a partir de la concepción de laFísica Cuántica (entre 1900 y 1927), la invención del transistor bipolar (de contactoen 1947 y de unión en 1951) y la fabricación de transistores (a partir de 1954), en lasegunda mitad del Siglo XX comenzaron a desarrollarse una infinidad decomponentessemiconductores, y entre ellos, muchos tipos especiales derectificadores. A uno de los dos más simples se lo conoce simplemente como "diodorectificador (semiconductor)".UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 6
  7. 7. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 7
  8. 8. Fig. 2: Fuente de voltaje alterno VAC alimentando una resistencia RL de carga através de (a) un diodo termoiónico (omitiendo el calefactor y su circuito) y (b) undiodo de estado sólido. En ambos circuitos, debido al efecto del rectificador,a RL solo llegan los semiciclos positivos de VAC. Estos dos componentes son losrectificadores más elementales de cada generación de dispositivoselectrónicos. Por su propiedad más importante (conducir corrienteen un sentido y bloquearla en el otro), el símbolo electrónico del diodosemiconductor es una "flechita" en el sentido de circulación "directo" (forward eninglés), desde A hacia K. El sentido correspondiente a voltajes negativos, sedenomina "inverso"(reverse).Por su propia construcción física, aunque se pueda hablar de voltaje inverso, en lasválvulas termoiónicas no existe ninguna corriente inversa. En los dispositivos deestado sólido esto es diferente. No solo existe una corriente inversa, sino que ademáses muy importante en el funcionamiento de muchos dispositivos (por ser muysensible a la iluminación y a la temperatura).Este artículo trata de los 2 tipos más simples de rectificadores modernos(semiconductores) mostrados en la Figura siguiente, compuestos por (la unión o contacto de) dos materiales:(1) Diodos de "Unión Semiconductor-Semiconductor": son los más conocidos(comúnmente llamados "diodos rectificadores"), constituidos por la unión de unsemiconductor dopado tipo-n con un semiconductor del mismo material pero tipo-p (diodos de "unión n-p");(2) Diodos de "Barrera Schottky Metal-Semiconductor" o "Diodos Schottky": sonlos primeros que existieron (llamados "diodos de señal"), constituidos por un metaly un semiconductor dopado tipo-p. Estos 2 materiales suelen estar ligados medianteun contacto puntual o por una unión física, como por ejemplo mediante difusión.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 8
  9. 9. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 9
  10. 10. Fig. 3: Muestra de los dos tipos de diodos semiconductores más comunes y simples:un diodo rectificador 1N4007, de unión n-p de silicio (con encapsulado plástico) ydos diodos de señal 1N60, Schottky de germanio (con encapsulado de vidrio). En elsímbolo de este último, el K se indica con una"S"de "Schottky".En el Apéndice "Otros diodos y dispositivos relacionados", se mencionan porcomparación algunos tipos especiales de rectificadores de estado sólido conestructura más compleja, como diodos zener, varactores, diodostúnel, diodosreguladores de corriente (CRDs), diodos Shockley, DIACs, diodos emisores de luz(LEDs), fotodiodos, fotoceldas y algunos rectificadores de 3 terminales que no sonrealmente diodos (o son algo más que diodos), pero que en algún sentido estánrelacionados a los rectificadores (como los SCRs, los TRIACs y losdiodos zenerprogramables).2-PARA QUÉ SIRVE(1) El rectificador más conocido es el "DIODO DE UNIÓN n-p" osimplemente "DIODO RECTIFICADOR". En algunas de sus aplicaciones se usasolamente la propiedad de conducir corriente en un sentido y bloquearla en el otro.En otras se usa la propiedad del aumento brusco de la corriente con el voltaje alalcanzar sus valores límite de voltaje (ruptura en inverso, y umbral en directo) y enotras la dependencia del voltaje directo con la temperatura. Por ejemplo:(1.1) Rectificadores de Voltaje y de Corriente: Esta es la aplicación más extendida yconocida de un rectificador, donde 1, 2 ó 4 diodos conectados al secundario de untransformador de una fuente de alimentación, sirven para convertir corriente alterna(AC, Altern Current) en corriente con una sola polaridad, para después (con otroselementos de circuito), convertirla finalmente en corriente continua (DC, DirectCurrent).UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 10
  11. 11. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 11
  12. 12. Fig. 4: Diagramas esquemáticos de fuentes AC de voltaje Vi (bobinado secundariode un transformador) con rectificadores. El voltaje de salida Vo corresponde a: (A)media onda implementada usando un bobinado simple con 1 diodo; (B) ondacompleta, bobinado simple con 4 diodos, (C) onda completa, bobinado de puntomedio con 2 diodos; y (D) rectificador bipolar de onda completa simétrica, bobinadode punto medio con 4 diodos.Los diodos rectificadores también se usan en paralelo con un interruptor, parareducir a la mitad la potencia de calefactores en diversos aparatos (soldadores,secadores de pelo, estufas, etc.), ya que durante medio ciclo (la mitad deltiempo) no conducen.(1.2) Compuertas Lógicas: Con diodos rectificadores y transistores se puedenimplementar configuraciones que se comportan como "circuitos lógicos", realizandolas operaciones básicas (not, or y and, o las universales nor y nand), ycombinaciones de ellas. Estos circuitos se usan en indicadores luminosos, ensistemas de control electrónico, en conmutación activación de relays.(1.3) Multiplicadores de Voltaje: Conectando diodos rectificadores y condensadores,se pueden implementar configuraciones de alto voltaje que cargan los condensadoresen los semiciclos AC, aumentando el voltaje entre dos puntos dados del circuito. Seutilizan en fuentes de alto voltaje (como por ej. las fuentes de TVs y de ozonizadoresde aire en hospitales y de agua en piscinas).UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 12
  13. 13. Fig. 5: Diagramas esquemáticos de un duplicador de voltaje y de un multiplicador devoltaje extendible, a partir de una fuente de voltaje AC Vi(t) de amplitud VM,condensadores y diodos rectificadores. En el segundo circuito, cada condensadorqueda cargado con VM y, donde se unen el diodo y el condensador n-ésimos, se tiene el voltaje de salida Vo = nVM.(1.4) Reguladores de voltaje y Protectores de Sobrevoltaje: Los diodos rectificadorespueden limitar el voltaje de 3 modos diferentes: sin conducir en inverso (A en la Fig.siguiente), sin conducir en directo (B), y conduciendo en directo (D). Un cuartomodo es limitar el voltaje conduciendo en inverso, que se realiza con un diodoespecial, denominado zener (C en la Figura).UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 13
  14. 14. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 14
  15. 15. Fig. 6: Curva característica de un diodo, indicando cuatro puntos de trabajo deprotectores de sobretensión (A y B) y reguladores de voltaje (C y D) utilizando undiodo, con los correspondientes diagramas esquemáticos de los circuitos. En A y enC se utiliza el voltaje inverso de ruptura VBR como límite de voltaje, mientras que enB y en D el voltaje umbral Vγ. En A y en B el diodo no conduce (actúacomo protector de sobrevoltaje), mientras que en C y en D el diodo deja pasarcorriente fijando el voltaje (actúa como regulador de voltaje). A, B y D seimplementan con un diodo rectificador común, mientras que C tiene un diodo zener.(a) Protección por voltaje de ruptura VBR (ó VRMax), conectado en inverso sinconducir (A en la Fig. anterior): Esta configuración se fundamenta en que la curvacaracterística I vs. V en inverso tiene un "voltaje de ruptura" VBR(breakdown,típicamente ≈ 2-1000 V dependiendo del tipo de diodo) y una pendiente muypronunciada (zona de avalancha). Esto significa que cuando no se alcanza esevoltaje, el diodo tiene una resistencia muy grande (no conduce), pero cuando untransitorio de voltaje intenta sobrepasar el valor de ruptura, el diodo se vuelveconductor (con muy baja resistencia) en sentido inverso, manteniendo al voltajecercano al de ruptura.Conectando entonces al diodo en oposición y en paralelo con el circuito que se deseaproteger, ante un sobrevoltaje de tensión transitorio y que supere el voltaje deruptura, el diodo deja pasar corriente (en inverso) "absorbiendo" el transiente en unafracción de microsegundo (y posiblemente fundiendo algún fusible para interrumpir el funcionamiento).Para AC se conectan dos diodos en "anti-serie" (en serie pero uno en oposición conel otro), y el conjunto anti-serie conectado en paralelo con el circuito que se deseaproteger. De las dos barreras en serie, limita la mayor, la de ruptura. De este modo,durante una sobretensión que supere VBR, según su polaridad, uno deja pasarcorriente en directo y el otro en inverso, impidiendo que aumente voltaje.En general los rectificadores no se usan de este modo, ya que no están preparadospara conducir en sentido inverso. Por eso, cuando los diodos rectificadores(comunes) se usan así, es para transientes no repetitivos.(b) Protección por voltaje umbral Vγ, conectado en directo pero sin conducir (B en laFig. anterior): Esta configuración es similar a la anterior pero para protección contrasobrevoltajes muy pequeños. Se fundamenta en que la curva característica I vs. V endirecto tiene un "voltaje umbral" Vγ (threshold) y una pendiente muy pronunciada(En diodos de germanio (Ge) es VγGe ≈ 0.25 V y en diodos de silicio (Si) es VγSi ≈0.6 V). Conectando entonces al diodo en directo y en paralelo con el circuito que sedesea proteger, ante un voltaje transitorio y que tienda a superar el umbral, el diodoUNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 15
  16. 16. conduce "absorbiendo" el transiente.Para AC se conectan dos diodos en "anti-paralelo" (back-to-back), y el conjuntoanti-paralelo conectado en paralelo con el circuito que se desea proteger. Enparalelo, la barrera que limita es la menor, la del voltaje umbral (ya que en general,para los rectificadores, el voltaje umbral es mucho menor que el voltaje de ruptura).De este modo, durante la sobretensión, según su polaridad, uno de los diodos dejapasar corriente en directo, impidiendo que aumente demasiado el voltajeEsta protección es utilizada para voltajes relativamente bajos. Para mayores voltajesy potencias, en vez de utilizar varios diodos, se utiliza un varistor (VARiableresISTOR), también denominado VDR (Voltage Dependent Resistor). El máscomún es el MOV (Metal Oxide Varistor), fabricado con material policristalinosinterizado compuesto de óxidos de zinc (Zn) con óxidos de bismuto (Bi), cobalto(Co) y manganeso (Mn). Este material tiene uniones semiconductoras entre granos,por lo tanto se puede modelar como un conjunto o arreglo de diodos en serie y enparalelo.(c) Regulador de voltaje mediante voltaje umbral Vγ, conduciendo en directo (D enla Fig. anterior): En paralelo con el circuito que se desea proteger, funciona como"anclaje" de voltaje (clamp diode). La regulación de voltaje directo no es muybuena, pero de todos modos, porcentualmente es muy superior a las variacionesrelativas de la corriente.Para regular simétricamente circuitos de AC de este modo, se colocan en anti-paralelo. Cuando se requiere que actúe a voltajes mayores, se colocan más diodos enserie, y para aumentar la capacidad de absorber corriente, se colocan.Para una mejor regulación de voltaje, en vez de esta configuración conduciendo endirecto, es más común utilizar un solo diodo zener conduciendo en inversa (como enC de la Figura anterior). La curva característica en la zona inversa de ruptura esmucho más pronunciada que la zona de conducción directa (como se ve con eltrazador de curvas en un Apéndice al final), por lo que un zener tiene mejorregulación de voltaje. Además se consiguen diodoszener de varios voltajes (cosa queno sucede con los voltajes umbral).(1.5) Transductores de temperatura a voltaje: Los diodos semiconductoresrectificadores son muy fáciles de usar en termometría industrial y en laboratorios,como termómetros pequeños, rápidos, confiables, de gran exactitud y repetibilidad,incluyendo muy bajas temperaturas.La termometría usando diodos semiconductores está basada en la dependencia delvoltaje directo VF(T, IF) con la temperatura T y la corriente directa IF en una uniónn-p. Para que solo dependa de T, se usa una pequeña corriente eléctrica constante,UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 16
  17. 17. típicamente IF ≡ 10 μA (±0.1%), lo suficientemente baja como para no sobrecalentarni el dispositivo ni el sistema donde se mide T, y lo suficientemente alta como paraque la magnitud de VF sea relativamente grande (del orden de 100 mV ó superior)para ser "leída" con un circuito electrónico standard.La "curva de respuesta con la temperatura" VF(T) de una unión n-p con Ge o con Si,es relativamente lineal solamente en rangos pequeños de temperatura. Pero con laElectrónica moderna, la alinealidad no es un problema. Muchos controladores detemperatura tienen un algoritmo PID y un termómetro formado por el diodo sensorde temperatura, con los puntos (VF, T) obtenidos en una calibración previa,guardados en la memoria.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 17
  18. 18. Fig. 7: Diagrama esquemático de curvas características Corriente vs. Voltaje de undiodo a una misma corriente IFpero a diferentes temperaturas (T1 < T2 < T3 < T4), yrepresentación de su respuesta Voltaje directo vs. Temperatura. En la parte inferiorse muestra el esquema básico usado en termometría.Por ejemplo el sensor de temperatura DT-670 Lake Shore es un diodo de Siespecificado para funcionar entre 1.4 y 500 K (0 K ≡ -273.15 oC), se puede usar bajocampo magnético por sobre los 60 K, y posee una respuesta media con latemperatura aproximadamente lineal en dos tramos:(a) dVF/dT ≈ -22.6 mV/K en el rango 1.4K ≤ T ≤ 23K (1.644290V ≥ VF ≥1.140817V)(b) dVF/dT ≈ -2.1 mV/K en el rango 23K ≤ T ≤ 500K (1.140817V ≥ VF ≥0.090681V)A continuación se muestran partes de las curvas características I vs. V de algunoscomponentes, utilizando elHameg HM6042-1 (V2.01) Curve Tracer. Con esteinstrumento trazador de curvas, de los 4 cuadrantes (I y IV para polarización directa;Cuadrantes II y III para polarización inversa), solo se puede ver un cuadrante por vez.En el eje vertical Y el instrumento representa la corriente en 8 divisiones (div.Y)que, según la escala seleccionada, 2, 20 y 200 mA, representan 0.25,2.5 y 25 mA/div.Y respectivamente.En el eje horizontal X el instrumento representa el voltaje en 10 divisiones (div.X)que, según la escala seleccionada, 2, 10 y 40 V, representan 0.2, 1 y 4 V/div.Xrespectivamente.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 18
  19. 19. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 19
  20. 20. Fig. 8: Cuadrante I de la curva característica de un diodo rectificador 1N4007 desilicio en el trazador de curvas (25mA/div.Y; 0.2V/div.X). Se observa un voltajeumbral Vγ < 0.66 V, a partir del cual comienza a conducir.(2) El siguiente diodo semiconductor es el DIODO SCHOTTKY, el primerrectificador, el primer demodulador de radio de amplitud modulada (AM), el primercomponente electrónico, y también el primer componente de estado sólido de laHistoria. Es un componente que además de su propiedad de rectificar en directo ybloquear en inverso, tiene la propiedad de tener una barrera de potencial muy baja,lo que se asocia a una velocidad de conmutaciónalta (para pasar del estado de"conducción" en directo, al estado "bloqueado" en inverso), y por lo tanto útilenaplicaciones de alta frecuencia. De hecho, para distinguirlos de los demás diodos,en las tiendas de Electrónica se los conoce como diodos "de señal", debido a suextendida aplicación como detectores (o demoduladores) parademodular la onda deradio de AM (i.e., obtener la señal de AF "escondida" en la modulación de las ondasde RF). Esta fue una de las primeras aplicaciones de los rectificadores (en ladenominada "Radio Galena"), y actualmente es una aplicación muy generalizada deeste tipo de diodos.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 20
  21. 21. Fig. 9: Diagrama esquemático de la demodulación de una onda de radio AMmediante un diodo Schottky. Se muestran esquemáticamente la onda de radio AMsintonizada antes, y la onda de AF después del diodo detector.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 21
  22. 22. Fig. 10: Cuadrante I de la curva característica de un diodo Schottky, tipo 1N60 degermanio (0.25mA/div.Y; 0.2V/div.X). El instrumento muestra un voltaje umbralmuy bajo (Vγ ≈ 0.13V) en comparación con el diodo rectificador de silicio .3-DE QUÉ ESTÁ HECHOLos dos tipos de diodos semiconductores más simples son dispositivos básicos deestado sólido donde el A está compuesto por un material semiconductor tipo-p (generalmente Si, Ge o GaAs). En un diodo rectificador el K es del mismomaterial semiconductor que el A pero tipo-n, y en un diodo Schottky el K esun metalComo toda la corriente que alimenta un circuito debe pasar por losrectificadores de la fuente de alimentación, losdiodos rectificadores deben sercapaces de disipar cierta cantidad de potencia con el mínimo de "fugas" en inverso.Por lo tanto, los rectificadores generalmente se fabrican mediante "uniones" (en vezde "contactos puntuales") para tener mayor capacidad de transporte, y con Si (en vezde Ge), pues el Si se puede usar a unas decenas de grados más que el Ge. Además,las corrientes inversas de fuga (Io) son unas 1000 veces menores en los diodos de Sique en los de Ge (Estas 2 grandes ventajas del Si respecto del Ge son mucho másimportantes que la desventaja de los diodos de Si de tener un umbral Vγ ≈ 0.6 V, quees casi el triple que en el Ge).UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 22
  23. 23. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 23
  24. 24. Fig. 11: Esquemas, símbolos y curvas características de diodos reales: diodode unión n-p de Si y diodo Schottky metal-semiconductor de Ge.Algunos diodos Schottky son fabricados con contactos y otros con unionesespeciales (para tener barreras bajas), pero entre metal y semiconductor tipo-p (porque la barrera con el metal es menor que con un semiconductor tipo-n). Elsemiconductor generalmente es Ge (porque tiene una barrera menor que el Si),aunque también hay con Si (para que puedan soportar mayores temperaturas yposean menores corrientes inversas de fuga).Ejemplos:Serie de diodos rectificadores de Si "1N4001-1N4007"Diotec Electronic Corp. es uno de los fabricantes de la "Series 1N4001-1N40071Amp General Purpose Silicon Diodes". Son 7 diodos (1N4001/2/3/4/5/6/7) quepueden funcionar entre -65 y 175oC, poseen una IoMax = 5 μA yVRMax = 50, 100, 200,400, 600, 800, 1000 V respectivamente. Vienen con encapsulado "DO-41" deplástico (4.1 mm de largo, 2.6 mm de diámetro) y con una masa de 0.34 g.Diodo Schottky "1N60"International Semiconductors, Inc. y Central Semiconductors fabrican un "1N60Germanium Glass Diode" hecho con Ge (Gold Bonded Technology), que puedefuncionar entre -55 y 70oC, y posee una corriente inversa máxima deIoMax = 40 μAy VRMax ≈ 20 V. Viene en el encapsulado "DO-7" de vidrio (menos de 8mm de largo,casi 3mm de diámetro) y con una masa de 0.2g.Este componente también existe en silicio. Weitron y Formosa MicroSemi Co.,LTD. fabrican un "1N60 Schottky Barrier Diode" o "Small Signal Schottky Diode"(Silicon Epitaxial Planar), que puede funcionar entre -65 y 95oC aproximadamente,y posee una IoMax = 0.1 μA y VRMax ≈ 40 V. Viene en el encapsulado "DO-35" devidrio (menos de 5mm de largo, 2mm de diámetro).4-CÓMO FUNCIONAEl mecanismo de rectificación de un diodo semiconductor es muy distinto al de unaválvula, debido a que los mecanismos de conducción en sí mismos son muydiferentes. Sin embargo, algunos conceptos son generales.Por ejemplo, para ver cómo un rectificador eléctrico bloquea la corriente en unsentido pero la deja circular en el otro, hay que observar que el dispositivo no essimétrico; está formado por dos electrodos diferentes: ánodo (A) y cátodo (K), y elvoltaje ΔVAK ≡ VA - VK sobre el rectificador (la caída de voltaje sobre el A respectodel K) puede tener dos signos diferentes.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 24
  25. 25. Cuando el voltaje es inverso, VR ≡ΔVAK < 0 V, la polaridad del dispositivo sedenomina "polarización inversa"(reverse bias). En este caso la circulación decorriente está bloqueada y el rectificador (perfecto) no conduce (IR = 0A). Estosignifica que habría que vencer una "barrera de energía" (potencial eléctrica) paraque una corriente (de cargas positivas) pudiera circular en sentido inverso (desde Khacia A). La existencia de esa barrera no solo hace que el dispositivo no seasimétrico, sino que además determina que haya un sentidoprivilegiado.Cuando el voltaje es directo, VF ≡ΔVAK > 0 V, la polaridad del dispositivo sedenomina "polarización directa"(forward bias). El sentido de circulación deportadores positivos yendo desde A hacia K se denomina sentido directo. Puededarse uno de estos 2 casos:(1) No hay barrera a la conducción en directo (como en el caso de un diodosemiconductor ideal donde Vγ =0V),o bien,(2) Existe otra barrera (en sentido directo), que es menor que la barrera para laconducción inversa (como en los diodos reales o "prácticos").Por eso es que sobre el rectificador, para que haya corriente directa IF > 0A, engeneral no solo es necesario aplicar un voltaje directo VF, sino que además esevoltaje debe ser suficiente para que los portadores de carga alcancen o superen unabrecha de energía; el voltaje directo debe alcanzar cierto "voltaje umbral"(threshold) Vγ relacionado con la barrera en directo:0V≤ Vγ ≤ VFEsta expresión toma en cuenta ambos casos, con barrera en polarización directa(Vγ >0V)o sin ella (Vγ =0V).Las válvulas termoiónicas rectificadoras están diseñadas físicamente para que estabarrera a la conducción en directo sea menor que al revés. En la barrera interviene laenergía EW necesaria para hacer que los electrones abandonen el material del K(denominada "función trabajo"). Al aumentar el voltaje de la placa en relación al K,aumenta la energía potencial eléctrica de los electrones en el material del K. Comohay que "arrancarlos" de la superficie del K y acelerarlos hasta la placa, elvoltaje Vp sobre las válvulas es relativamente alto. Para que este Vpsea menor, (i.e.,para que cueste menos función trabajo), se utilizan cátodos calientes. El proceso sedenomina "emisión termoiónica", y típicamente Vp ≈ 100-500 V.El diodo semiconductor de unión funciona de un modo muy diferente, pero tambiénhay que aplicar un voltaje umbral para vencer una barrera (aunque mucho menorque en las válvulas). A continuación se explicacualitativamente el origen físico deUNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 25
  26. 26. los parámetros que determinan la curva Corriente vs.Funcionamiento del diodo semiconductor realTres parámetros importantes en el funcionamiento del diodo rectificador de unión n-p y diodo Schottky reales son:(1) Intensidad de corriente inversa de saturación Io(2) Voltaje inverso de ruptura VBR (ó VRMax)(3) Voltaje (directo) umbral VγCuando se fabrica un diodo de unión n-p, al poner en contacto dos materiales conconcentración distinta (exceso de electrones libres en el tipo-n y exceso de agujerosen el tipo-p), habrá difusión de portadores de carga de uno y de otro lado através de la unión.Entonces, los electrones (portadores de carga negativos y mayoritarios en elmaterial tipo-n) difundirán hacia eltipo-p, dejando iones positivos donadores"desnudos" (en el tipo-n), cruzando la unión y recombinándose con agujeros,haciendo que queden iones negativos aceptadores desnudos (en el tipo-p).Análogamente, los agujeros (portadores de carga positivos y mayoritarios en elmaterial tipo-p) difunden hacia eltipo-n cruzando la unión y recombinándose conelectrones (En un diodo Schottky sucede algo relativamente similar, pero conelectrones libres y un metal en vez de un semiconductor tipo-n).UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 26
  27. 27. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 27
  28. 28. Fig. 12: Representación esquemática de la estructura de un diodo semiconductorde unión n-p. Debido a la recombinación de electrones libres del tipo-n con losagujeros del tipo-p, alrededor de la unión quedan iones que generan un campoeléctrico intrínseco (de contacto) Enp desde el tipo-n hacia el tipo-p.Por lo tanto, la zona de material (originalmente neutro) tipo-n que rodea la uniónqueda positiva, y la zona cercana a la unión dentro del material tipo-p quedanegativa, dando lugar a la aparición de un campo eléctrico inverso, intrínseco o decontacto, Enp, que "apunta" desde el tipo-n (positivo) hacia el tipo-p (negativo).Este campo Enp de n hacia p produce una fuerza eléctrica Fnp = qEnp sobre lascargas q. Esta fuerza está en contra de los agujeros que están difundiendo hacia n, yanálogamente, el mismo Enp produce una fuerza eléctrica contra los electrones que están difundiendo hacia p.Por lo tanto, la difusión persiste hasta que el Enp llegue a ser lo suficientementeintenso en la unión, como para compensar la difusión y establecer elequilibrio.La región de recombinación que rodea la unión donde existe el campo eléctrico Enp,se denomina región de deplexión, o región de carga de espacio, o región detransición (depletion region; depletion layer) y tiene un espesor .La existencia de Enp (que apunta de n hacia p), hace que en la región derecombinación exista una variación o salto de potencial eléctrico V0 (de unascuantas décimas de volt, mayor en n respecto de p), y por lo tanto hay una barrera deenergía potencial electrostática eV0 para los agujeros y una barrera -eV0 para paralos electronesUNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 28
  29. 29. (1) Corriente inversa de saturación IoEs importante observar que la existencia de esta región intermedia sin portadores decarga (ni electrones libres ni agujeros), hace que el dispositivo no pueda ser conductor.Cuando el dispositivo se polariza en sentido inverso o de bloqueo (reversebias), VR < 0 V, aparece un campo eléctrico exterior Eext adicional en la mismadirección (atravesando la unión a lo largo de la región de recombinación). Como enel material tipo-n el potencial aplicado externamente es positivo respecto del tipo-p,el campo Eext sobre todo el material tiene el mismo sentido que Enp, por lo que elcampo eléctrico total en la unión es la suma de dos campos inversos y posee unaintensidad (inversa) mayor: ETOTAL = Enp + Eext. Esto significa queaumenta el anchode la región de recombinación, la barrera se hace mayor y no puede haber flujo decargas. Entonces, a través de la unión n-p en el cero absoluto (T = 0 K) no hay conducción en inverso.El estado de no conductor a 0 K con polarización inversa cambia cuando T > 0 K.La presencia del campo eléctrico de los átomos desnudos con energía térmica kT,rompe algunos enlaces covalentes cercanos, y entonces aparecenpares agujero-electrón libre generados por la agitación térmica en ambos lados de la región detransición.El electrón de los pares generados en el tipo-n se liga a algún ión positivo cercano, yel agujero de los pares generados en el tipo-p se liga a algún ión negativo (como semuestra esquemáticamente en la Figura).Por lo tanto, alrededor de la unión a T > 0 K los agujeros en el tipo-n y electrones enel tipo-p generados térmicamente, bajo la fuerza del campo eléctrico inversoatraviesan la unión hasta recombinarse (flecha verde).Esto constituye una pequeña corriente inversa IR cuya intensidad con muy pocovoltaje inverso alcanza el valor límite Io, que es el parámetro denominado corrienteinversa de saturación del diodo.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 29
  30. 30. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 30
  31. 31. Fig. 13: Representación esquemática del origen de la corriente inversa desaturación Io en un diodo semiconductor de unión n-p. En la zona de transición a T >0 K, se rompen enlaces generando pares agujero-electrón. De este modo quedanagujeros entre los iones positivos del tipo-n y electrones entre los iones negativosdel tipo-p, que se recombinan movidos por el campo eléctrico inverso.En un diodo perfecto Io ≡ 0 A, pero en un diodo ideal la teoría de Shockley predice yexplica la existencia de Io, observada en los diodos reales (o prácticos).Esta corriente inversa se desprecia en muchas aplicaciones, ya que es del orden de100 μA y 0.1 μA en diodos de Ge y de Si respectivamente. Pero por otro lado,existen otros dispositivos donde se utiliza la sensibilidad de Io con la temperatura obien con la iluminación (dado que también la luz visible puede romper enlacescovalentes y generar pares electrón-agujero).(2) Voltaje inverso de ruptura VBR (ó VRMax)Si el voltaje inverso sigue aumentando negativamente, finalmente alcanzará unvoltaje límite -VBR asociado a otra barrera, a partir de la cual comienza unaconducción en sentido inverso. Esta corriente inversa normalmente destruye aldispositivo, salvo los especialmente diseñados para conducir en ese régimen hastaun valor máximo de potencia (denominados diodos Zener).El caso más común es que cuando VR = -VBR los agujeros y electrones generadostérmicamente que componen la corriente adquieren energía suficiente como paraliberar enlaces de electrones de valencia y así producir nuevos portadores de carga.A su vez, estos nuevos portadores liberan otros, en un proceso acumulativodenominado” multiplicación por avalancha".Pero existe otro mecanismo que origina conducción inversa. Si los portadores decarga no tienen energía suficiente para romper enlaces en las colisiones, igual esposible que se produzca una "ruptura" (breakdown) al alcanzar un voltaje -VBR asociado a un campo eléctrico inverso suficientemente intenso como pararomper directamente los enlaces. En este caso la conducción inversa sedenomina zener, y se produce generalmente en diodos donde el voltaje deruptura VBR es menor que unos 6V.En la práctica, los términos "Zener" o "ruptura" se utilizan en general, no solo paralos diodos de ruptura sino también para los de avalancha que poseen, enprincipio, voltajes VBR mucho mayores.En un diodo perfecto y en un diodo ideal no hay ruptura, es decir, VBR ≡∞. Pero enun diodo real VBR es un parámetro muy importante, de valor finito.(3) Voltaje umbral VγUNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 31
  32. 32. En un diodo perfecto y en un diodo ideal tampoco hay voltaje umbral, es decir, Vγ ≡0 V. Pero en un diodo real Vγtambién es un parámetro muy importante, de valorfinito, como se verifica experimentalmente en las imágenes del cuadrante I de lacurva I vs. V vistas en el trazador de curvas. En efecto, se observa en las curvas quela conducción en directo de un diodo de unión de Si y de un diodo Schottky de Gees nula o casi despreciable hasta que el voltaje directo alcanza un valor umbral.Veamos cómo esto se explica cualitativamente.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 32
  33. 33. Fig. 14: Representación esquemática del cambio en el ancho de la región detransición con las polarizaciones inversa y directa.Cuando el dispositivo se polariza en sentido directo (forward bias), VF > 0 V, elcampo eléctrico exterior Eext que atraviesa la unión a lo largo de la región derecombinación, ahora tiene sentido opuesto al campo intrínseco Enp, por lo que elcampo eléctrico total posee una intensidad menor: ETOTAL = Enp - Eext. Esto significaque el campo sobre la unión polarizada directamente disminuye el ancho de laregión de recombinación y consecuentemente la barrera se hace más delgada. Pero siaún queda algo del campo intrínseco que el campo exterior no haya cancelado,persiste parte de la barrera y el dispositivo sigue en estado "no conductor".El voltaje umbral es el que produce un campo exterior directo que cancela al campointrínseco inverso, y a partir del cual, sin barrera, podrá haber conducción. Éste esentonces el origen del voltaje umbral.Curva Característica Corriente I vs. Voltaje V del diodo semiconductorConsiderando portadores mayoritarios y minoritarios, el físico e inventorestadounidense William Bradford Shockley (1910-1989) en 1949 elaboró la teoríade la unión n-p con su célebre ecuación para la corriente inversa Io, que conduce a laexpresión de la corriente I en función del voltaje aplicado V (polarización inversa odirecta), conocida como Ley del Diodo Ideal de Shockley:I = Io (e eV/(kT) – 1)donde la corriente inversa de saturación esIo = constante x T 2 e-EG0/(kT)siendo EG0 ≡ EG(0K) el valor del gap del material a T = 0 K.UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 33
  34. 34. Fig. 15: Representación esquemática de las curvas características de un rectificadorperfecto, un diodo ideal (Ecuación de Shockley) y de un diodo semiconductor deLa Ecuación de Shockley describe bastante bien el comportamiento para pequeñascorrientes de un diodo ideal de unión n-p de germanio (con EG0Ge = 0.785 eV),donde dominan las corrientes de difusión. Pero en el caso de un diodos de Si o deGaAs, es necesario hacerle correcciones. Esto se debe a efectos de superficie, aefectos de "tunelaje" en la unión, y otros fenómenos no considerados en la deducción de Shockley.La curva I vs. V del diodo ideal de unión n-p de silicio crece más suavemente que lacaracterística del diodo de Ge. Con las primeras décimas de voltio de V, elcrecimiento de la corriente directa IF comienza variando como e eV/(2kT)(en vezde e eV/(kT) como es para el Ge). Haciendo las correspondientes correcciones, lacaracterística para el Si resulta:I = Io (e eV/(nkT) – 1)UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 34
  35. 35. donde n = 2 cuando domina la recombinación (corrientes pequeñas), n = 1 cuandodomina la difusión (corrientes grandes), 1< n < 2 cuando ambos fenómenoscontribuyen apreciablemente, y:Io = constante x T 3/2 e-EG0/(2kT)y donde EG0Si =1.21eV.Por lo tanto las expresiones para un diodo ideal de unión n-p de germanio y desilicio se pueden sintetizar en una sola ecuación con 5 parámetros dependientes delmaterial:I = Io (e eV/(nkT) – 1) = constante x T m e-EG0/(ηkT) (e eV/(nkT) – 1)donde para un diodo ideal de unión n-p de germanio:n =1m =2.0EG0 =0.785eVη =1mientras que para un diodo ideal de unión n-p de silicio:(IF grande) 1≤ n ≤2(IF pequeña)m =1.5EG0 =1.21eVη =2Otra forma de expresar I es con EG ≡ EG(T) en vez de EG0, usando que elvalor EG del gap decrece en forma aproximadamente lineal con T, y entoncesresulta:I = constante x T (3+γ/2) e-EG/(ηkT) (e eV/(nkT) – 1)UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 35
  36. 36. donde γ es una constante que depende del material.A partir del voltaje umbral Vγ, el diodo conduce en directo, y la caída de voltajedirecto VF (forward voltage-drop) es del orden de 0.3 V hasta aproximadamente 3 V,dependiendo del dispositivo y de la intensidad de la corrienteforward IF.Para los diodos rectificadores usados en aplicaciones de potencia (generalmente desilicio con VγSi ≈ 0.6 V), VF está en el rango 0.7-1.7 V. Por ejemplo, en el diodo1N4007 de silicio típicamente es VF ≈ 1.1 V para IF ≈ 1 A.En los diodos Schottky usados en la actualidad como demoduladores en las radios deAM, la VF tiene que ser baja (para que tengan eficiencia y rapidez de conmutación enlas aplicaciones de alta frecuencia). En estos dispositivosVF suele estar en el rango0.15-0.45 V. Por ejemplo, en el diodo 1N60 de germanio (con VγGe ≈ 0.25 V)típicamente es VF ≈ 0.3 V para IF ≈ 1 mA.Medición de EG usando diodos semiconductores:La última expresión es interesante porque muestra explícitamente que para un diodode germanio (η = n = 1) o para un diodo de silicio con una corriente directa IF pequeña(η = n = 2), y dentro de un rango pequeño de temperaturas cercanas a la ambiente (T ≈300 K) donde el término T(3+γ/2) varía mucho menos con T que e-EG/(ηkT), ydonde eeVF/(nkT) >> 1,se tieneIF ≈ constante x e-EG/(ηkT) e eVF/(nkT) = constante x e(eVF -EG)/(nkT)de donde resulta que manteniendo la corriente directa IF constante y pequeña (cercana al umbral),T ≈ constante x (EG - eVF) ≡ A0 + A1VFEntonces se puede estimar experimentalmente el gap a T ≈ 300 K usando la relación(lineal) del voltaje directo VFcon la temperatura T del material del diodosemiconductor (alrededor de la temperatura ambiente), a partir del cociente EG/e = -A0/A1 entre la ordenada al origen A0 y (menos) la pendiente -A1, como se describe enel Apéndice "Medición del gap de un semiconductor" del artículo El Semiconductor(Tipo-n y Tipo-p), usando un diodo deunión n-p 1N4007 para el Si, y undiodo Schottky 1N60 para el Ge.Tres comentarios más:Las uniones entre dos materiales eléctricos diferentes, tienen otras aplicaciones.(1) Cuando se ponen en contacto dos metales diferentes ... se forma un rectificador?Los metales (puros y aleaciones) tienen electrones libres (disponibles para laconducción eléctrica) con diferentes energías, dependiendo de la temperatura y de losniveles electrónicos de la banda de valencia de cada metal. Qué ocurre entoncescuando se ponen en contacto 2 metales diferentes? UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 36
  37. 37. Hay unabarrera de potencial?Cuando se ponen en contacto migran electrones de un metal al otro hasta que un campoeléctrico equilibre el gradiente de concentración en la unión, provocando la apariciónde un voltaje (potencial de contacto o potencial termoeléctrico Seebeck)aproximadamente proporcional a la temperatura de la unión.La unión metal-metal se llama termopar y es una clase de dispositivos muyimportantes, con gran aplicación entermometría como transductores de temperatura a voltaje.Por ejemplo, el termopar tipo-K está formado por el par de aleacionesdenominadas chromel (90%Ni-10%Cr) yalumel (95%Ni-2%Mn-2%Al-1%Si).El chromel resulta positivo respecto del alumel y la sensibilidad del termopar tipo-K es≈ 41μV/oC.Pero un termopar no es un rectificador, ya que ninguno de los dos metalesconstituyentes tiene gap. Sí es asimétrico (debido al potencial Seebeck que tiene unapolaridad definida), pero no es un rectificador, pues conduce fácilmente en ambos sentidos.(2) Los terminales metálicos en los extremos de un diodo de unión n-p, forman dos rectificadores Schottky?Lógicamente aparecerán dos potenciales de contacto en estas uniones metal-semiconductor adicionales, en los extremos del diodo semiconductor n-p. Sin embargoestas uniones se fabrican para que no rectifiquen, para que sean simplemente uncontacto resistivo.Cuando se tiene este tipo de unión, que es independiente del sentido y de la intensidadde la corriente, en vez de llamarse "unión", se la denomina contacto óhmico. Engeneral se reserva la denominación "unión" para la existencia de una "barrera deenergía potencial", que produce la rectificación.(3) El fenómeno inverso al Seebeck es el Efecto Peltier, descubierto en uniones metal-metal a través de las cuales se obliga a circular una corriente eléctrica.La aplicación de este efecto termoeléctrico en refrigeradores termoeléctricos sin partesmóviles se hizo práctica más de un siglo después de su descubrimiento, pero usando semiconductores.Varios pares de elementos tipo-n y tipo-p fuertemente dopados, se conectan formandoun módulo generador termoeléctrico (TEG, ThermoElectric Generator). Los elementosse interconectan (en serie y en paralelo) alternadamente y con láminas metálicas, y elTEG queda compuesto por contactos óhmicos metal-semiconductortipo-n y contactosóhmicos metal-semiconductor tipo-p. La generación y absorción de calor está asociada UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 37
  38. 38. a la diferencia de energía potencial eléctrica de los portadores en uno y otro tipo de semiconductor.5-MISCELÁNEASRectificador con Piedra Galena: Un diodo que se adelantó medio siglo !A principios del Siglo XX, la Humanidad se encontraba asombrada tanto por la magiade La Radio como por el misterio de la (rectificación mediante la) "piedra galena".La Radio Galena fue un receptor de radio con los mínimos componentes que adquirióese nombre justamente porque su diodo detector se construyó mediante un metal encontacto con una piedra galena, que es sulfuro de plomo (PbS), el principal mineralnatural del plomo, con estructura cristalina cúbica y comportamiento semiconductor.El efecto "rectificador de puntas de contacto" en cristales había sido descubierto en1874 por el físico e inventor alemán Karl Ferdinand Braun (1850- 1918), quienobservó la dependencia de la resistencia con la polaridad del voltaje aplicado y con eldetalle de las condiciones en la superficie de contacto, publicado en Ann. Phys.Chem., 153,556(1874).Mucho más tarde, en los comienzos de la comunicación con RF, el físico, biólogo,botánico, arqueólogo, inventor y escritor de ciencia ficción bengalí Jagadish ChandraBose (1858-1937), en sus experimentos con microondas de 1894 implementó la ideade demodular ondas de radio con un cristal semiconductor. En 1901 Bose presentó unapatente de un detector de radio AM con piedra galena, un diodo de unión conductor-semiconductor ( U.S. Patent 775,840 (1904) ). Este diodo metal-galena fue el primercomponente electrónico de la Historia !. Así nació también la primera radio condetector a galena, la "Radio Galena".Finalmente, Braun compartió con Marconi el Premio Nobel de Física 1909 por suscontribuciones a la "telegrafía sin alambres".El diodo con piedra galena fue un dispositivo completamente anacrónico. Por un ladose adelantó a la teoría necesaria para comprender su funcionamiento, ya que era uncomponente cuántico de la Electrónica de Estado Sólido que empezaría a desarrollarsemedio siglo después ! Y por otro lado, comenzó a utilizarse a principios del Siglo XX,cuando no existía ni siquiera la Electrónica (todavía no se inventaban las válvulastermoiónicas !!). Tenía todas las ventajas (respecto de las válvulas) que tendrían losdispositivos de estado sólido "del futuro", como por ejemplo ser liviano, pequeño,compacto, económico, sin calefacción y de bajo consumo, casi sin desgaste ni fallas,miniaturizable e integrable, fabricable y soldable automáticamente y en serie. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 38
  39. 39. Los primeros dispositivos rectificadores utilizaban un metal (como el oro) o grafito, encontacto con una galena. Fue la primera forma del diodo de estado sólido, llamadoentonces "rectificador de contacto" o "rectificador de punto". Además de hacersecon galena, también se fabricó con un óxido de cobre (Cu) y también con selenio (Se).Después de la patente de 1904 del diodo metal-galena, basándose en el trabajode Braun de 1874, el inventor estadounidense Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) desarrolló y patentó en 1906 el diodo "bigote de gato" (cats whisker), con unalambrecito de 0.255 mm de diámetro (AWG 30, el "bigote"), de bronce fosforado(cobre con 3.5-10% de estaño y 1% de fósforo), en contacto con un cristal de siliciofundido. Este diodo se utilizó como detector de AM aproximadamente entre 1906 y losaños 1940s, y la Radio Galena pasó a llamarse también "Radio de Cristal".Generalmente, cuando en la actualidad alguien dice haber armado una radio galena, enrealidad se refiere a unaradio de cristal, cuyo rectificador es un diodo Schottky comercial.El diodo Schottky ha estado presente en toda la Historia de la Electrónica y en laactualidad se sigue fabricando y utilizando igual que antes, como detector, como si eltiempo no hubiese transcurrido. Es uno de los grandes inventos vigentes de nuestraCivilización, pero que al principio se utilizó durante décadas sin conocerse la teoría de su funcionamiento.En la Física Clásica no existía el concepto de gap ni de bandas de energías en lossólidos. Por lo tanto, el principio básico de funcionamiento de un diodo semiconductorse pudo desarrollar después de establecerse los fundamentos de la Física Cuántica (1927).Desde el punto de vista eléctrico, la galena es un semiconductor naturalcon gap pequeño (EG ≈ 0.4 eV). Es decir que la unión metal-galena forma unrectificador donde la barrera metal-semiconductor no es muy alta. Esta barrera deenergía se denomina barrera Schottky en reconocimiento al físico teórico e inventoralemán Walter Hermann Schottky (1886-1976), quien extendió la teoría del físicoteórico inglés Nevill Francis Mott (1905-1996) (Premio Nobel de Física 1977) de 1939sobre la rectificación metal-semiconductor.La barrera de potencial "semiconductor-semiconductor" de la unión n-p fue descubiertaen 1939 por el ingeniero estadounidense Russell Shoemaker Ohl (1898-1987) quienrealizó importantes investigaciones sobre semiconductores (Todos los diodos, incluidosLEDs y LASERs, son descendientes del trabajo de Ohl. Su trabajo lo condujo adesarrollar la primera celda solar de silicio. Presentó la primera patente en 1941,"Light-Sensitive Electric Device", y la obtuvo en 1946). UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 39
  40. 40. En el mismo tiempo, después de la Segunda Guerra Mundial, a un grupo deinvestigadores de Bell Labs se les encomendó buscar una alternativa de amplificadorcon elementos de estado sólido, para reemplazar las voluminosas y frágiles válvulastermoiónicas de vidrio, es decir, desarrollar una nueva tecnología electrónica (cuandoel único componente de estado sólido era el "viejo" diodo Schottky).Uno de ellos, el físico e inventor estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989), tuvo la idea de modificar la conductividad de los semiconductores usando uncampo eléctrico externo (Más de 15 años antes, en 1930, el físico astríaco-húngaro Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) había patentado el principio de lo queahora se denomina MESFET, transistor por efecto de campo con unión metal-semiconductor, basado en esa idea, pero aparentemente, nadie la había puesto en elcontexto de los nuevos semiconductores).Después de intenso trabajo, dos de sus colegas, el ingeniero eléctrico JohnBardeen (1908-1991) y Walter Houser Brattain (1902-1987) (ambos físicosestadounidenses), en 1947 lograron amplificación con un transistor de punto decontacto, inventando así el primer transistor de la Historia.Pero Shockley continuó trabajando en secreto en un transistor diferente. Por un ladobuscó un diseño que fuese menos frágil y cuya fabricación pudiera ser comercialmentemás viable. Y por otro lado, estudió una mejor descripción teórica de la conductividad,incluyendo la inyección de portadores minoritarios.Finalmente, en 1949 Shockley estableció la teoría de la curva característica I vs. V deuna unión n-p y desarrolló la teoría del transistor de unión (BJT, Bipolar JunctionTransistor) que llamó "sandwich transistor" ("The Theory of p-n Junctions inSemiconductors and p-n Junction Transistors" Bell Syst. Tech. J. 28 435 (1949) )("Electrons and Holes in Semiconductors" D. Van Nostrand Princeton, N.J., 1950).Por fin, en 1949 se comprendía el fenómeno descubierto por Braun 75 años antes(1874) y que venía siendo utilizado en la Radio desde el principio del Siglo XX !Shockley inventó el transistor de unión, lo dió a conocer y obtuvo la patente en 1951.Formó su propia companía en 1955 y recibió el Premio Nobel de Física 1956 juntocon Brattain y Bardeen en reconocimiento por la invención del transistor, algo quecambiaría tremendamente las comunicaciones y la tecnología de nuestra Civilización.Posteriormente, la teoría de la unión n-p fue extendida por C. T. Sah, R. N. Noyce y elmismo Shockley ("Carrier Generation and Recombination in p-n Junction and p-n UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 40
  41. 41. Junction Characteristics" Proc. IRE 45 1228 (1957) ) y después por J. L. Moll ("TheEvolution of the Theory of the Current-Voltage Characteristics of p-n Junctions" Proc.IRE 46 1076 (1958) ).Desafortunadamente, Shockley hizo que también se lo recuerde por sus controvertidasafirmaciones racistas e ideas acerca del mejoramiento de la raza, realizadas en los años 1960.Un comentario final: En esos años (1956-7), el mismo Bardeen, uno de los 3 inventoresdel transistor, publicó junto con los físicos teóricos estadounidenses Leon N.Cooper (1930 - ) y John Robert Schrieffer (1931 - ) una serie de artículos explicando laSuperconductividad Tipo-I ("Teoría BCS", Bardeen-Cooper-Schrieffer), por lo que los3 compartieron el Premio Nobel de Física 1972. Bardeen es la única persona con 2Premios Nobel de Física (1956 y 1972).REFERENCIAS(1) Sze S M 1981 Physics of Semiconductor Devices; Second Edition (N.Y.: JohnWiley &Sons)(2) Millman J and Halkias Ch C 1965 Electronic Devices and Circuits (McGraw-Hill)Traducción al Castellano:Millman J y Halkias Ch C 1975 Dispositivos y Circuitos Electrónicos (Madrid:Pirámide)(Un viejo libro de la época, cuando a los estudiantes de Ingeniería Electrónica se lesenseñaba algo de la Física de los dispositivos)(3) Horowitz P Hill W 1989 The Art Of Electronics; 2nd Edition (Cambridge:Cambridge)(4) Falicov L M 1980 La estructura electrónica de los sólidos; Tercera Edición(Washington, DC: OEA) Monografía no. 3, Serie de Física(5) McWhorter G and Evans A J 1994 Basic Electronics: Electronic Devices andCircuits, How They Work and How They Are Used (Richardson: Master) Radio Shack62-1394 UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 41
  42. 42. UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP. Página 42

×